Notícia

Pesquisadores desenvolvem novo fotocatalisador feito de aerogel que poderá permitir produção mais eficiente de hidrogênio

Fonte

ETH de Zurique | Instituto Federal de Tecnologia de Zurique

Data

sexta-feira, 3 dezembro 2021 10:35

Áreas

Energia. Nanotecnologia. Química. Sustentabilidade.

O professor Dr. Markus Niederberger, pesquisador do Laboratório de Materiais Multifuncionais do Instituto Federal de Tecnologia de Zurique (ETH de Zurique), na Suíça, vem trabalhando com aerogéis especiais há algum tempo. Seu laboratório é especializado em aerogéis compostos de nanopartículas semicondutoras cristalinas. “Somos o único grupo no mundo que pode produzir esse tipo de aerogel com alta qualidade”, disse o professor.

Um uso para os aerogéis baseados em nanopartículas é como fotocatalisadores. Eles são empregados sempre que uma reação química precisa ser ativada ou acelerada com o auxílio da luz solar – um exemplo é na produção de hidrogênio.

O material de escolha para fotocatalisadores é o dióxido de titânio (TiO2), um semicondutor. Mas o TiO2 tem uma grande desvantagem: ele pode absorver apenas a porção ultravioleta da luz solar – apenas cerca de 5% do espectro. Para que a fotocatálise seja eficiente e útil industrialmente, o catalisador deve ser capaz de utilizar uma faixa mais ampla de comprimentos de onda.

Ampliando o espectro com dopagem de nitrogênio

É por isso que Junggou Kwon, aluna de doutorado do professor Niederberger, está procurando uma nova maneira de otimizar um aerogel feito de nanopartículas de TiO2. E ela teve uma ideia brilhante: se o aerogel de nanopartículas de TiO2 for ‘dopado’ (para usar o termo técnico) com nitrogênio, de modo que átomos de oxigênio individuais no material sejam substituídos por átomos de nitrogênio, o aerogel pode então absorver outras porções visíveis do espectro. O processo de dopagem deixa a estrutura porosa do aerogel intacta. O estudo sobre este método foi publicado recentemente na revista científica Applied Materials & Interfaces.

Junggou Kwon produziu primeiro o aerogel usando nanopartículas de TiO2 e pequenas quantidades do metal nobre paládio, que desempenha um papel fundamental na produção fotocatalítica de hidrogênio. Ela então colocou o aerogel em um reator e o infundiu com gás amônia. Isso fez com que átomos de nitrogênio individuais se incorporassem à estrutura cristalina das nanopartículas de TiO2.

O aerogel modificado torna a reação mais eficiente

Para testar se um aerogel modificado dessa forma realmente aumentaria a eficiência de uma reação química desejada – neste caso, a produção de hidrogênio a partir de metanol e água – Kwon desenvolveu um reator especial no qual colocou diretamente o monólito de aerogel. Ela então introduziu vapor de água e metanol no aerogel do reator antes de irradiá-lo com duas luzes LED. A mistura gasosa se difunde então através dos poros do aerogel, onde é convertida no hidrogênio desejado na superfície das nanopartículas de TiO2 e paládio.

Aumentando o fluxo de gás

Este experimento serviu aos pesquisadores principalmente como um estudo de viabilidade. Como uma nova classe de fotocatalisadores, os aerogéis oferecem uma estrutura tridimensional excepcional e oferecem potencial para muitas outras reações de fase gasosa interessantes, além da produção de hidrogênio. Em comparação com a eletrólise comumente usada hoje, os fotocatalisadores têm a vantagem de poderem ser usados ​​para produzir hidrogênio usando apenas luz em vez de eletricidade.

Ainda não se sabe se o aerogel desenvolvido pelo grupo do Dr. Niederberger será usado em grande escala. Por exemplo, ainda há uma questão de como acelerar o fluxo de gás através do aerogel; no momento, os poros extremamente pequenos dificultam muito o fluxo de gás. “Para operar tal sistema em escala industrial, primeiro temos que aumentar o fluxo de gás e também melhorar a irradiação dos aerogéis”, disse o Dr. Markus Niederberger. Ele e seu grupo já estão trabalhando para resolver esses desafios.

Acesse o artigo científico completo (em inglês).

Acesse a notícia completa na página do ETH de Zurique (em inglês).

Fonte: Peter Rüegg, ETH de Zurique. Imagem: Pinça segurando aerogel em forma de comprimido composto de paládio e nanopartículas de TiO2 dopadas com nitrogênio. Fonte: Dr. Markus Niederberger. ETH de Zurique.